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Die Reynoldssche Differentialgleichung in dimensionsloser Form lautet
der dimensionslose Druck P im Schmierspalt und seine partiellen Ableitungen nach X und Z sind definiert durch
Die dimensionslose Wellendrehgeschwindigkeit Ω und die dimensionslose Zeit T sind definiert durch
Bild 2.152 zeigt eine dimensionslose Druckverteilung P(X) nach der klassischen Reynoldsschen Differentialgleichung und der Annahme der "Gümbelschen Randbedingung" und die zugehörige dimensionslose Spalthöhe H(X) in Lagermitte über den Lagerumfang von X= -π bis +π bzw. -180° bis +180°.
Bild 2.152: Druckverlauf P(X) und Spalthöhe H(X) in der Mitte eines stationär belasteten Lagers berechnet mit der klassischen Reynoldsschen Differentialgleichung und Annahme der "Gümbelschen Randbedingung"
Die dimensionslose erweiterte Reynoldssche Differentialgleichung lautet
Die neu hinzukommenden dimensionslosen Parameter sind hier die dimensionslose Mischungskonstante C
und die partielle Ableitung des Druckes P nach der dimensionslosen Zeit T
Der generell dimensionslose örtliche Füllungsgrad F kann auch aus dem dimensionslosen Druck P und der dimensionslosen Mischungskonstanten C berechnet werden durch
Bild 2.154 zeigt eine dimensionslose Druckverteilung P(X) in Lagermitte nach der erweiterten Reynoldsschen Differentialgleichung und die zugehörige dimensionslose Spalthöhe H(X) und darin die entsprechenden Anteile flüssiger Phase (rot) und gasförmiger Phase (gelb) über den Lagerumfang von X= -π bis +π bzw. -180° bis +180°.
Bild 2.154: Druckverlauf P(X), Spalthöhe H(X) und Flüssigkeitsverteilung HF=H·F in der Mitte eines stationär belasteten Lagers berechnet mit der erweiterten Reynoldsschen Differentialgleichung
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Bild 2.156: Dimensionslose Lagerkräfte
Die Lagerkräfte werden in folgender Weise dimensionslos gemacht:
Der Betrag der dimensionslosen Lagerkraft ist die Sommerfeldzahl.
Die Komponenten F1 und F2 der dimensionslosen Lagerkraft werden analog dimensionslos gemacht
Die Komponenten F1 und F2 der dimensionslosen Lagerkraft werden berechnet durch die Integrale
Der Betrag der resultierenden Lagerkraft So wird berechnet durch
Die Richtung der resultierenden Kraft ist gegeben durch den Winkel XSo, mit
Die dimensionslose Lagerbelastung, gegeben durch die Parameter der Kraft So und der Kraftrichtung XSo bzw. durch die Komponenten der Lagerkraft F1 und F2, können als konstant oder als zeitlich variabel angenommen werden. Wenn die Verlagerungsbahn aus einem vorgegebenen (gemessenen) Verlauf der Lagerbelastung berechnet werden soll, dann können die entsprechenden Parameter der Lagerkraft für die zu berechnenden NT Zeitpunkte punktweise eingegeben werden.
Für prinzipielle Untersuchungen des dynamischen Verhaltens des Lager, wenn noch keine konkreten Daten für den Kraftverlauf bekannt sind, können komplette Kraftverläufe auch durch zyklische Funktionen mit einigen wenigen Parametern eingegeben werden, wodurch sich die Dateneingabe wesentlich vereinfacht. Dafür sind in SIRIUS folgende Funktionen zur Darstellung des Kraftverlaufs implementiert.
mit
F1Amp | Amplitude der Lagerkraft F1 |
F1Mit | Mittelwert der Lagerkraft F1 |
Ω1 | Phasenwinkelgeschwindigkeit der Lagerkraft F1 |
Φ1 | Phasenwinkel der Lagerkraft F1 zum Zeitpunkt T=0 |
F2Amp | Amplitude der Lagerkraft F2 |
F2Mit | Mittelwert der Lagerkraft F2 |
Ω2 | Phasenwinkelgeschwindigkeit der Lagerkraft F2 |
Φ2 | Phasenwinkel der Lagerkraft F2 zum Zeitpunkt T=0 |
Bild 2.157 zeigt ein Beispiel für einen dimensionslosen Kraftverlauf mit den Werten F1Amp = 0,076; F1Mit = 0; Ω1 = 2·π; Φ1 = -π/2; F2Amp = 0,955; F2Mit = 0,955; Ω2 = 2·π; Φ2 = 0; B=0,5.
Kippmomente am Lager entstehen bei asymmetrischer Spaltgeometrie, z.B. bei Verkantung der Welle in der Lagerschale.
Bild 2.158: Dimensionslose Kippmomente
Der Betrag des dimensionslosen Kippmoments Mo ist definiert durch
Entsprechend gilt für die horizontale Komponente Mo1
und für die vertikale Komponente Mo2
Die Komponenten Mo1 und Mo2 des dimensionslosen Kippmoments werden berechnet durch die Integrale
Der Betrag des resultierenden Kippmoments Mo wird berechnet durch
Die Richtung des resultierenden Kippmoments ist gegeben durch den Winkel XMo, mit
Die dritte mögliche Komponente MoWe eines Moments, welche in die axiale Richtung zeigt, gehört nicht zum Kippmoment. Es ist das Reibmoment und wird im Rahmen der Energiebilanz des Lagers berechnet. Siehe dazu folgenden Abschnitt 2.2.4.4.
Das Wellenreibmoment wird auf folgende Weise dimensionslos gemacht
Die Gleichung (2.235) für das Reibmoment moWe lässt sich mit den Gleichungen (2.404), (2.405), (2.423), (2.601), (2.602) und (2.634) in die dimensionslose Form bringen
Hier ist die Fläche A=((XEnd-XAnf)·(ZEnd-ZAnf)-Taschenflächen), die gesamte Schmierspaltfläche unter Abzug aller Flächen der Schmiertaschen. Das ergibt sich aus der Annahme, dass die Schmiertaschentiefe viel größer ist als die Spalthöhen H(X,Z) und dass deshalb die innere Reibungen in den Schmiertaschen vernachlässigt wird.
Die Leistung allgemein wird auf folgende Weise dimensionslos gemacht
Die Gleichung (2.237) für die Reibleistung leiWe der Welle lässt sich mit den Gleichungen (2.413), (2.634) und (2.636) in die dimensionslose Form bringen
Für die Strömungsgeschwindigkeiten im Schmierspalt wurde keine dimensionslose Darstellung entwickelt, da diese Geschwindigkeiten im Programm nicht explizit vorkommen.
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Bild 2.162 zeigt den abgewickelten Schmierspalt eines teilweise umschlossenen Lagers mit seinen 4 Rändern und seinen dimensionslosen Ölströmen QRand1, QRand2, QRand3 und QRand4 über diese Ränder.
Bild 2.162: Abgewickelte dimensionslose Schmierspaltfläche mit den 4 möglichen Ölströmen über die Schmierspaltränder
Für ein teilweise umschlossenes Lager wird ein konstanter Umgebungsdruck PRand1 für den gesamten Lagerrand angenommen und es ergibt sich durch Einsetzen von PRand1 in Gleichung (2.614)
für X = XAnf bis XEnd und Z = -1 bis +1 |
Bild 2.163: Dimensionsloser Ölstrom ΔQTaRand über das Randelement ΔRand aus einer Schmiertasche in den Schmierspalt
Bild 2.163 zeigt die Randkontur einer Schmiertasche mit einem gerichteten Randstück ΔRand und skizziert den dimensionslosen Ölstrom ΔQTaRand über das Randelement Rand aus der Schmiertasche in den eigentlichen Schmierspalt. Der resultierende Ölstrom ΔQTaRand ist dann die Summe
Die Gleichung (2.267) für den dimensionsbehafteten Ölstrom qTaRand über den Rand einer Schmiertasche lässt sich mit den Gleichungen (2.404), (2.405), (2.423), (2.601), (2.602), (2.604) und (2.651) in die dimensionslose Form bringen
Eine Volumenänderung über die Zeit hat die gleiche Dimension wie ein Volumenstrom und wird deshalb in gleicher Weise dimensionslos gemacht mit
Für die erweiterte hydrodynamische Schmiertheorie ist die dimensionslose Volumenänderung einer Schmiertasche aus Gleichung (2.274) abgeleitet gegeben durch
Hier ist A die Fläche der Schmiertasche.
Für die klassische Schmiertheorie, bei der immer ein vollständig gefüllter Schmierspalt F=1 angenommen wird, vereinfacht sich die Gleichung zu
Wenn in einem Lager NTa Schmiertaschen existieren, ist für jede dieser Taschen die Volumenbilanz der Schmierflüssigkeit aufzustellen durch die NTa Gleichungen
für JTa = 1 bis NTa |
Genau so, wie das Schmierspaltvolumen volSpalt (2.597) wird das Flüssigkeitsvolumen volFlSpalt im Schmierspalt dimensionslos gemacht
Durch Einführung der dimensionslosen Parameter gemäß den Gleichungen (2.404), (2.405), (2.423) und (2.677) in die Gleichung (2.278) ergibt sich die folgende Gleichung für die dimensionslosen Flüssigkeitsmenge VolFlSpalt im Schmierspalt
Der Gesamtfüllungsgrad FGes des Schmierspalts kann dann analog Gleichung (2.279) auch aus den entsprechenden dimensionslosen Werten berechnet werden durch
Die Summe der zu- und abfließenden Flüssigkeitsströme ist gleich der Änderung des Flüssigkeitsvolumens im Schmierspalt. Analog zu den Gleichungen (2.280) und (2.281) lassen sich die Bilanzgleichungen für die dimensionslosen Ölströme aufstellen. Für ein teilweise umschlossenes Lager gilt
Für das voll umschlossene Lager gilt
Die Gleichung (2.285) für die Leistung leiReib der inneren Reibung im Schmierfilm lässt sich mit den Gleichungen (2.636), (2.404), (2.405), (2.413), (2.423) und (2.601) in die dimensionslose Form bringen
Für den Schmierspalt des teilweise umschlossenen Lagers lässt sich die Energiebilanz analog Gleichung (2.286) aufstellen
Für ein voll umschlossenes Lager gilt
Allgemeine Erläuterungen siehe Abschnitt 2.1.6
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Die dimensionslose Pumpenkennlinie zeigt Bild 2.171
Bild 2.171: Betriebskennlinie einer Schmiermittelpumpe
Gemäß Gleichung (2.601) lassen sich die Pumpendrücke umrechnen
Gemäß Gleichung (2.651) lassen sich die Ölströme der Pumpen umrechnen
Nachfolgend werden die Gerätetypen beschrieben, die in den Verbindungsleitungen angeordnet werden können.
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Bild 2.173: Betriebskennlinie einer Laminardrossel, ohne Rückschlagventil links, mit Rückschlagventil rechts
Bild 2.173 zeigt die Kennlinien einer Laminardrossel mit und ohne Rückschlagventil. Es wird der dimensionslose Ölstrom QVe durch die Verbindungsleitung in Abhängigkeit vom dimensionslosen Schmiertaschendruck PTa dargestellt bei einem vorgegebenen Pumpendruck PPu.
Die Gleichung (2.295) für den Ölstrom durch die Kapillare lässt sich mit den Gleichungen (2.601), (2.651) und (2.697) in die dimensionslose Form bringen
Der Strömungswiderstand rcp für den Widerstand einer Laminardrossel wird speziell für die Verwendung im Programm SIRIUS in einen dimensionslosen Widerstand Rcp umgerechnet durch
Der Widerstandsbeiwert ccp einer Kapillare kann auf ähnliche Weise dimensionslos gemacht werden durch
Aus den Gleichungen (2.298), (2.696) und (2.697) ergibt sich interessanter Weise, dass der dimensionslose Widerstand Rcp einer Kapillare und der dimensionslose Widerstandsbeiwert Ccp identisch sind
Die Gleichung (2.300) für die Verlustleistung leiVeVer in der Kapillare einer Verbindungsleitung lässt sich mit den Gleichungen (2.601), (2.636), (2.651) und (2.697) in die dimensionslose Form bringen
Bild 2.175: Betriebskennlinie einer Spaltdrossel in Reihe mit einer Laminardrossel, ohne Rückschlagventil links, mit Rückschlagventil rechts
Bild 2.175 zeigt die Kennlinien der Reihenschaltung einer Spaltdrossel mit einer Laminardrossel mit und ohne Rückschlagventil. Es wird der dimensionslose Ölstrom QVe durch die Verbindungsleitung in Abhängigkeit vom dimensionslosen Schmiertaschendruck PTa dargestellt bei einem vorgegebenen Pumpendruck PPu.
Die Gleichung (2.303) für den Ölstrom durch die reine Spaltdrossel lässt sich mit den Gleichungen (2.601), (2.651) und (2.704) in die dimensionslose Form bringen
Der Blendenbeiwert cbl einer Spaltdrossel (Blende) wird hier dimensionslos gemacht durch
Im Programm wird die Blende nur in Kombination mit einer in Reihe geschalteten Laminardrossel modelliert. Die Kombination der Gleichungen (2.695) für die Laminardrossel und (2.703) für die Blende ergibt eine Strom-Druck-Kennlinie für eine Reihenschaltung von Laminardrossel und Spaltdrossel von
für PVeVer&gr;0
mit
Ccp | dimensionsloser Widerstandsbeiwert des laminaren Strömungswiderstandes |
Cbl | dimensionsloser Blendenbeiwert der Spaltdrossel |
PVeVer | dimensionsloser Druckverlust über die Drosseln PVeVer=PPu-PTa |
Wenn kein Rückschlagventil in der Schmiermittelleitung einen Rückstrom des Schmiermittels verhindert, gilt für den entsprechenden Rückfluss des Schmiermittels
für PVeVer<0
Dabei wird vereinfachend angenommen, dass die Drosselwirkung der Spaltdrossel in beiden Stromrichtungen gleich ist.
Die Gleichung (2.307) für die Verlustleistung leiVeVer in der Kapillare einer Verbindungsleitung lässt sich mit den Gleichungen (2.601), (2.636) und (2.651) in die dimensionslose Form bringen
Bild 2.180 zeigt links den prinzipiellen Aufbau eines PM-Reglers, in der Mitte ein vereinfachtes Schaltsymbol des Reglers und rechts die Standardkennlinie des Reglers und eine auf die Betriebsbedingungen umgerechnete Kennlinie, beide in dimensionsloser Form.
Bild 2.180: Dimensionslose Standardkennlinie (grün) und dimensionslose umgerechnete und erweiterte Kennlinie (rot) eines PM-Reglers ohne Rückschlagventile
In der Regel werden die Kennwerte für den PM-Regler in dimensionsbehafteten Parametern vorliegen und so auch in das Programm eingegeben werden. Da das Programm intern grundsätzlich mit dimensionslosen Daten arbeitet, müssen diese mindestens intern umgerechnet werden. Deshalb werden hier die erforderlichen Formeln angegeben, die SIRIUS verwendet. Aus Gründen der durchgehenden Wahlfreiheit der Art der Dateneingabe können die dimensionslosen Parameter auch direkt dimensionslos eingegeben werden und erscheinen so an der Programmoberfläche.
Die in SIRIUS benötigten Parameter für den PM-Regler werden mit den Gleichungen (2.708) bis (2.718) dimensionslos gemacht.
Dynamische Viskosität η0 bei Aufnahme der Reglerkennlinie
Pumpendruck bei Aufnahme der Kennlinie
Differenzdruck zwischen Pumpendruck und dem Druck am Scheitelpunkt S der Kennlinie, der Stelle des maximalen Ölstroms,
Druckdifferenz zwischen Pumpendruck und Druck bei linker Nullstelle der Kennlinie
Ölstrom Q0 bei Pumpendruck PP, Taschendruck PTa=0 und Schmiermittelviskosität Eta0
Theoretischer Ölstrom QP bei Pumpendruck PP, Taschendruck PTa=PP und Schmiermittelviskosität Eta0
Dynamische Viskosität Eta1 am Eingang des PM-Reglers im Betrieb
Theoretischer Ölstrom QP1 bei aktuellem Pumpendruck PPu, Taschendruck PTa=PPu und aktueller Schmiermittelviskosität Eta1 am Eingang des PM-Reglers
Steigung des aufsteigenden Astes der Kennlinie
Laminarer Widerstand des maximal geöffneten PM-Reglers
Ölstrom durch den PM-Regler
Die Gleichung (2.319) für den theoretischen Ölstrom qP1 lässt sich mit den oben angegebenen Gleichungen in die dimensionslose Form bringen
Die Gleichung (2.320) für die Steigung cpm des aufsteigenden Astes der umgerechneten Kennlinie lässt sich mit den oben angegebenen Gleichungen in die dimensionslose Form bringen
Die Gleichung (2.321) für den laminaren Widerstand rpm der umgerechneten Kennlinie des maximal geöffneten Reglers lässt sich mit den oben angegebenen Gleichungen in die dimensionslose Form bringen
Die Gleichung (2.322) für den Abstand p0 des linken Nullpunktes der Kennlinie vom Pumpendruck pPu lässt sich mit den oben angegebenen Gleichungen in die dimensionslose Form bringen
Mit diesen Parametern kann die dimensionslose idealisierte Kennlinie des PM-Reglers ohne Rückschlagventil (Bild 2.180) für beliebigen Pumpendruck PPu und beliebige Viskosität Eta1 angegeben werden durch
und entsprechend auch die Kennlinie für einen PM-Regler mit Rückschlagventil
Bei einem Druckverlust pVeVer = pPu - pTa ist die Verlustleistung leiVeVer im PM-Regler gegeben durch
Mit den Formeln für die einzelnen Äste der Kennlinie z.B. für den PM-Regler ohne Rückschlagventil gemäß Gleichung (2.723) lässt sich die Gleichung für die Verlustleistung im Regler weiter konkretisieren
Bild 2.181: Dimensionslose Schmiermittelströme im peripheren Schmiersystem
Bild 2.181 zeigt die Netzstruktur einer möglichen Variante des Schmiersystem und die Bezeichnungen der einzelnen Teilströme. Schmiermittelströme, die von den Pumpen weg gerichtet sind, haben ein positives Vorzeichen.
Für die Pumpen Nr. JPu = 1 bis NPu, die ihren Schmiermittelstrom QPu(JPu) auf einige der NVe Leitungen mit den Ölströmen QVe(JVe) für JVe=1 bis NVe verteilen, gelten die Strombilanzen analog Gleichung (2.330).
Für die Schmiertaschen Nr. JTa = 1 bis NTa, die ihren Schmiermittelstrom QTa(JTa) auf einige der NVe Leitungen mit den Ölströmen QVe(JVe) für JVe=1 bis NVe verteilen, gelten die Strombilanzen analog Gleichung (2.331).
Für den Gesamtölstrom des peripheren Schmiersystems in Richtung Schmierspalt kann nun folgende Beziehung analog Gleichung (2.332) aufgestellt werden.
Die dimensionslose installierte Gesamtausgangsleistung aller Pumpen des peripheren Schmiersystem ist analog Gleichung (2.333) gegeben durch
Die von den Pumpen tatsächlich bereitgestellte dimensionslose Ausgangsleistung ist analog Gleichung (2.334) gegeben durch
Die dimensionslose Verlustleistung der Ölströme über die Druckbegrenzungsventile an den Schmiermittelpumpen ist analog Gleichung (2.335) gegeben durch
Die Summe der dimensionslosen Leistungen, die in die Verbindungsleitungen zur Versorgung der Schmiertaschen eingespeist wird, ist analog Gleichung (2.336) gegeben durch
Die Summe der dimensionslosen Verlustleistungen in den Verbindungsleitungen ist analog Gleichung (2.337) gegeben durch
Die dimensionslose Restleistung, die dann über die Schmiertaschen dem Schmierspalt zugeführt wird, ist analog Gleichung (2.338) gegeben durch
Damit lässt sich die dimensionslose Energiebilanz für das gesamte periphere Schmiermittel-Versorgungssystem aufstellen analog Gleichung (2.339)
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